L’adoption croissante des batteries lithium-ion rechargeables soulève des inquiétudes quant à la disponibilité des matériaux traditionnels pour leurs cathodes. Une équipe de chercheurs américains a récemment mis en lumière une alternative prometteuse : le manganèse.
Le manganèse, cinquième métal le plus abondant dans la croûte terrestre, pourrait transformer la conception des cathodes des batteries lithium-ion. L’efficacité du manganèse a été démontrée par les scientifiques dans les matériaux cathodes émergents appelés sels de roche désordonnés (DRX).
Les chercheurs ont constaté que les cathodes à base de manganèse peuvent exceller avec des particules environ 1000 fois plus grandes que prévu, contrairement aux idées reçues. Han-Ming Hau, chercheur en technologie des batteries au sein du Groupe Ceder du Berkeley Lab et doctorant à l’UC Berkeley, a expliqué : «Notre nouvelle approche permet l’utilisation d’un matériau à la fois abondant sur Terre et peu coûteux, qui nécessite moins d’énergie et de temps à produire que certains matériaux de cathode de batterie Li-ion commercialisés. Sa capacité de stockage d’énergie et son efficacité sont comparables.»
Un processus novateur de deux jours a été développé par l’équipe de recherche pour préparer le matériau cathodique à base de manganèse. La méthode consiste à retirer d’abord les ions lithium du matériau de la cathode, puis à le chauffer à basse température (environ 200 degrés Celsius).
Le procédé contraste fortement avec le processus existant pour les matériaux DRX à base de manganèse, nécessitant plus de trois semaines de traitement. L’efficacité et la rapidité de production sont significativement améliorées par cette nouvelle approche.
Des microscopes électroniques de pointe ont été utilisés par les chercheurs pour capturer des images à l’échelle atomique du matériau à base de manganèse en action. Après l’application du processus, le matériau forme une structure semi-ordonnée à l’échelle nanométrique améliorant les performances de la batterie, permettant un stockage et une délivrance d’énergie denses.
Différentes techniques utilisant les rayons X ont également été employées par l’équipe pour étudier les changements chimiques du manganèse et de l’oxygène au niveau macroscopique lors du cyclage de la batterie. L’étude du comportement du matériau à base de manganèse à différentes échelles ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication de cathodes à base de manganèse et apporte des informations précieuses pour la nano-ingénierie des futurs matériaux de batterie.
L’importance de cette découverte a été soulignée par Han-Ming Hau : «La nanostructure unique du matériau est maintenant mieux comprise, et un processus de synthèse a été développé pour provoquer ce ‘changement de phase’ dans le matériau, améliorant ses performances électrochimiques. Les applications de batterie dans le monde réel sont rapprochées par cette étape importante.»
Des solutions de stockage d’énergie plus durables et économiques sont rendues possibles par cette avancée dans la recherche sur les batteries lithium-ion. Le manganèse, grâce à son abondance et à ses propriétés nouvellement découvertes, pourrait jouer un rôle essentiel dans le développement de la prochaine génération de batteries pour diverses applications, des appareils électroniques aux véhicules électriques.
Légende illustration : Un nouveau procédé de fabrication de matériaux pour batteries à base de manganèse permet aux chercheurs d’utiliser des particules plus grosses, représentées ici par un microscope électronique à balayage. Crédit : Han-Ming Hau/Berkeley Lab et UC Berkeley
Article : « Earth-abundant Li-ion cathode materials with nanoengineered microstructures » – s41565-024-01787-y
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